1

(c) David MILDE, 2004-2008

ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis SPEKTROMETRIE V UV/Vis

OBLASTI SPEKTRAOBLASTI SPEKTRA

David MILDE, 2004

ABSORPČNÍ ABSORPČNÍ SPEKTROMETRIESPEKTROMETRIE

2

David MILDE, 2004

Absorpce záření ve Vis oblastiAbsorpce záření ve Vis oblasti

Při dopadu bílého světla na vzorek může být záření zcela odraženo ⇒látku vidíme jako bílou; nebo zcela pohlceno ⇒ látku vidíme jako černou.Pokud vzorek část záření pohltí a část odrazí ⇒ barva látku viditelná pro lidské oko odpovídá barvě odraženého záření (tzv. doplňková barva).

modrozelenáčervená620-760zelenomodráoranžová595-610

zelenážlutá580-595fialovážlutozelená560-580

červeno-purpurovázelená500-560žlutámodrá435-480

žlutozelenáfialová400-435Doplňková barvaPohlcená barvaλ (nm)

David MILDE, 2004

Molekulové Molekulové orbitaly orbitaly (MO)(MO)

MO vznikají při tvorbě vazby z AO. Ze 2 AO se vytvoří 2 MO.

2 typy vazebných orbitalů2 typy protivazebných orbitalů1 nevazebný orbital; n* neexistuje, protože n orbitaly se nepodílí na vazbě!Absorpční pásy mohou patřit 6 typům přechodů (4 u molekul, 2 u anorganických iontů).

⇐ Symetricky zakázané přechody (v daleké UV oblasti).

E

σ∗

π∗

n

π

σ

3

David MILDE, 2004

UV/Vis spektra molekul a iontůUV/Vis spektra molekul a iontů

Pokud molekula nebo ion absorbuje záření v UV nebo Vis oblasti spektra, dojde k elektronovému přechodu valenčního e-.

Intenzita pásů (dle kvantové mechaniky):1. Přechody dovolené – ze základní singletové do excitované singletové

hladiny; εmax ≈ 104 – 105 l.mol-1.cm-1

2. Přechody spinově zakázané – málo pravděpodobné přechody ze základnísingletové do excitované tripletové hladiny; εmax ≈ 100 l.mol-1.cm-1

3. Přechody symetricky zakázané εmax ≈ 102 l.mol-1.cm-1; vibrace jader molekuly vede k diferenci v rozdělení e- a tím ke změně dipólového momentu molekuly a přechodu e-.MOLEKULY:

David MILDE, 2004

UV/Vis spektra molekul

π → π∗, n → π∗ uvedeme společně, chemické skupiny často obsahují jak π tak n e-, oba typy přechodů přispívají k tvorběabsorpčních pásů.

Přechody π → π∗ jsou relativně nezávislé na atomech spojených s dvojnou vazbou, jsou dovolené a intenzivní: ε ≈ 103 - 105.Přechody n → π∗ jsou symetricky zakázané a nejsou příliš intenzivní (ε≈ 10 - 102), jejich absorpční maximum je silně závislé na druhu atomu (poloha n e- je silně závislá ne elektronegativitě heteroatomu).

σ → σ∗ vytvářejí jednoduché vazby – alifatické uhlovodíky. Prakticky nepoužívané vzhledem ke krátkým λ (nutno pracovat ve vakuu).n → σ∗ poskytují substituenty s nevazebnými e- – nasycenésloučeniny se S, N, Br, I, které absorbují do 200 nm a O a Cl, které absorbují nad 200 nm.

4

David MILDE, 2004

UV/Vis spektra molekul

Chromofor – funkční skupina v molekule odpovědná za absorpci záření v UV a Vis oblasti. Obecně lze říci, že skupiny s π e- jsou chromofory pro UV a Vis oblast a skupiny se σ e-

pro dalekou UV oblast.Konjugační efekt – s rostoucím počtem konjugovaných dvojných vazeb se posouvá absorpční pás π→π* přechodu k delším λ.Auxochrom – funkční skupina, která způsobuje posun λabsorpčních maxim chromoforů a zvyšují intenzitu pásů, př.: OH, NH2, halogenidy. Posuny maxim a změna intenzity vlivem substituce či volbou rozpouštědla jsou důležité pro strukturní analýzu.

Bathochromní (červený) posun – k delším λ.Hypsochromní (modrý) posun – ke kratším λ.Hyperchromický efekt – zvýšení intenzity absorpce.Hypochromní efekt – snížení intenzity absorpce.

David MILDE, 2004

UV/Vis spektra iontů

Přenos náboje – intenzivní ε ≈ 103 - 104, hlavně UV; molekula donoru vytváří s molekulou akceptoru komplex, jež se projeví novým absorpčním pásem (π → π∗, n → π∗) [Fe2+ sfenantrolinem, Fe3+Fe(SCN)2+, komplexy fenolů s Cu2+ či Fe3+].

M-L + hν → M+-L-

Přenos v ligandovém poli – málo intenzivní ε ≈ 101 - 102, hlavně Vis [ [Cu(H2O)6]2+ absorbuje při 790 nm].

Spektrum Fe3+ s o-fenantrolinem

Volný atom přechodného kovu má 5 degenerovaných d

orbitalů. Je-li atom v komplexu, působí na něj elektrostatické pole ligandů a d orbitaly se

rozštěpí.

5

David MILDE, 2004

Instrumentace

KOLORIMETR(ie) – vizuální porovnávání intenzity zbarvení vzorku a standardu nebo řady standardů.FOTOMETR(ie) – objektivní měření prošlého toku záření:

FOTOMETR – barevný filtr k vymezení λ.SPEKTROFOTOMETR – obsahuje monochromátor.

David MILDE, 2004

Stanovení 2 látek ve směsiStanovení 2 látek ve směsi

Solving for c(Fe) gives the concentration of Fe3+ as 1.80.10–5 M. Substitutingthis concentration back into the equation for the mixture’s absorbance at a

wavelength of 396 nm gives the concentration of Cu2+ as 1.26.10–4 M.

6

David MILDE, 2004

Studium komplexů Studium komplexů –– Jobova metodaJobova metoda(metoda kontinuálních variací)(metoda kontinuálních variací)

Slouží k určení stechiometrického složení a podmíněné konstanty stability komplexu:

M + yL → MLy

Měří se série roztoku s konstantním ntot a proměnným nM a nL(ekvimolární roztoky): ntot = nM + (nL)i

Maximum Abs je dosaženo pro stechiometrické složení komplexu.Je-li to možné měříme při λ, kde absorbuje pouze komplex.

XL = 0,75 ⇒ y = 3 ⇒ ML3XL = 0,5 y = 1 MLXL = 0,67 y = 2 ML2

L iL i

to t

M L i

( n )(X )n

X 1 ( X )

=

= −

L L

M L

X XyX 1 X

= =−

David MILDE, 2004

Spektrofotometrické Spektrofotometrické titracetitrace

Určování BE na základě změny absorbance s přídavkem titračního činidla. Tento způsob titrace je experimentálně jednoduchý a má uspokojivou přesnost.Titrační křivky:

A. Absorbuje pouze titrační činidlo (titrace s uvolňováním Br2, I2).B. Absorbuje produkt titrační reakce.C. Absorbuje pouze titrovaná látka (stanovení Pb titrací chelatonem →

uvolňování xylenové oranže z komplexu s Pb).

7

David MILDE, 2004

(FOTO)(FOTO)LUMINISCENČNÍ LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIESPEKTROMETRIE

David MILDE, 2006

FotoluminiscenceFotoluminiscence

Jde o emisi záření látkou, které bylo před tím absorbováno.Dělení: FLUORESCENCE, FOSFORESCENCE.Návrat látky z excitovaného (doba života excitovaného stavu 10-5 – 10-9 s) do základního stavu – relaxace:

Vibrační deaktivace – nadbytek E uvolněn ve formě teplaEmise – nadbytek E uvolněn jako fotonRelaxace pomocí fotochemické reakce: A* → X + Y

Elektronové stavy organických molekul se dělí na:

S – singletovýT - tripletový

Dubletový stav – lichý e- u volného radikálu, který může zaujmout 2 orientace.

8

David MILDE, 2004

FotoluminiscenceFotoluminiscence

FLUORESCENCE: emise fotonu při přechodu z S1 (nebo S2,…) do základního stavu S0. Doba života excitovaného stavu (za jakou dobu dojde k emisi) závisí na ε při absorpci záření: pro ε ≈ 104 – 105 je doba 10-7 – 10-9 s, pro ε ≈ 101 – 102 je doba 10-5 – 10-6 s.

Fluorescence odeznívá velmi rychle po ukončení excitace (vypnutízdroje excitačního záření).

FOSFORESCENCE: emise fotonu při přechodu z T1 na S0. Doba života excitovaného T stavu je 10-4 – 102 s ⇒fosforescenční záření sledujeme delší dobu po ukončeníexcitace.

Elektron po absorpci záření nejprve přejde z S1 na T1 (přechod z S0 na T1 je zakázaný)!

David MILDE, 2004

Diagram energetických hladin molekuly

λ2 λ1 λ3 λ4

vr … vibrational relaxationic … internal conversionec … external conversionisc … intersystem crossing

9

David MILDE, 2004

Deaktivační procesy v molekulách

Preferovaný přechod do základního stavu je ten, který minimalizuje dobu života excitovaného stavu!

Nezářivá deaktivaceVibrační relaxace – rychlý proces (10-12 s), molekula ve vyšším vibračním stavu snižuje svou E přechodem na nejnižší vibrační podhladinuexcitovaného (i základního) stavu.Vnitřní konverze – molekula na nejnižší vibrační podhladině excitovaného stavu přechází do vyšší vibrační podhladiny nižšího energetického stavu.

Kombinací ic a vr může molekula přejít z excitovaného do základního stavu bez emise fotonu!

Vnější konverze – nadbytek E je předán rozpouštědlu či jiné složce matrice.Mezisystémový přechod – molekula na nejnižší vibrační podhladině excitovaného stavu přechází na vysokou energetickou podhladinu stavu s nižší E a jiným spinem.Zářivé deaktivace: fluorescence a fosforescence

David MILDE, 2004

Fluorescence – emise při přechodu e- z nejnižší vibrační podhladiny S1 na S0

Lze ji pozorovat pouze pokud je účinnějším prostředkem deaktivace než nezářivé přechody.Intenzita fluorescence IF: (ϕF = NF/N … flourescenční výtěžek)

IF roste s ϕF, P0, ε a koncentrací.

Vliv teploty a viskozity rozpouštědla na ϕF.Fluorescenční přechod může skončit na různých vibračních podhladinách S0 ⇒ pásové spektrum.Ke fluorescenci dochází u λ3, nezáleží na tom, zda byla molekula excitována λ1 do S1 nebo λ2 do S2.

cbPk303,2I)PP(kI 0FFT0FF εϕϕ =−=

bc0T 10PPzákonaBeerovaLambertovaZ ε−⋅=−

10

David MILDE, 2004

Excitační a emisní spektraExcitační a emisní spektra

2 typy fluorescenčních spekter:2 typy fluorescenčních spekter:1. Excitační: IF v závislosti na λ budícího záření při konstantní λ

emitovaného záření – slouží k určení účinné λ pro vyvolánífluorescence.

2. Emisní: IF v závislosti na λ emitovaného záření při konstantní λexcitačního záření.

VLIV STRUKTURY NA LUMINISCENCIVLIV STRUKTURY NA LUMINISCENCI1. Luminiscenci neposkytují nasycené uhlovodíky a zřídka nenasycené

alifatické uhlovodíky.2. Intenzivní F: aromatické uhlovodíky s nízkoležícími S stavy π→π*.3. P vykazují aromatické sloučeniny s C=O nebo heteroatomy.4. Vliv substituce aromatického jádra na F: -NO2, -OH, …5. Aromáty s halogen substituenty zvyšují ϕP a snižují ϕF.6. Luminiskují zejména velké a pevné rovinné molekuly s rigidní

strukturou.

David MILDE, 2004

Souvislost absorpčních a Souvislost absorpčních a emisních spekteremisních spekter

Luminiscence začíná na nejnižší vibrační podhladině S1 (T1) ⇒ Eemitje menší než Eabs. Luminiscence se objevuje u vyšších λ než absorpce.Luminiscenční spektrum bývázrcadlovým obrazem absorpčního. Mohou se protínat v λ0.λ0 odpovídá nejmenší E pro absorpci a je v absorpčním spektru nejintenzivnější.

11

David MILDE, 2004

Instrumentace - fluorescence

Optická dráha mezi zdrojem a detektorem svírá 90°.Fluorimetr: k vymezení λ slouží filtry; zdroj: Hg výbojka.Spektrofluorimetr: mřížkové monochromátory; zdroj nejčastěji Xe vysokotlaká výbojka (spojité spektrum).

Kyvety: 1 cm, křemenRozpouštědla: nesmífluoreskovat.

David MILDE, 2004

Nutné rozlišit fluorescenci a fosforescenci!

Instrumentace - fosforescence

PŘÍPRAVA VZORKŮ

Kapalné: zmrazení v kapalném N2 vytvoří opticky čistou pevnou látku (vzorek v rozpouštědle).Pevné: nanesení vzorku na pevný substrát (desky tenkovrstvé chromato-grafie) – možno měřit za laboratorní teploty.

12

David MILDE, 2004

Analytické využitíAnalytické využití

KVALITATIVNÍ ANALÝZA: menší využití – zejména pro polycyklické aromáty; molekuly s jemnými strukturními rozdíly mají velmi podobná spektra.KVANTITATIVNÍ ANALÝZA: komplexy s kovy, organické sloučeniny.

• Chemiluminiscence: chemická reakce produkuje molekuly v excitovaném stavu, které emitují fotony.• Bioluminiscence: k reakcím produkujícím molekuly v excitovaném stavu dochází v biologických systémech.

David MILDE, 2006

Frank-Condonův princip

Hmotnost atomových jader je několik řádů větší nežhmotnost elektronu a vzájemný pohyb jader atomů v molekule (vibrace molekuly) je pomalejší (10-12 s) než rychlost přechodu elektronů (10-15 s). Při přechodu elektronu ze základního do excitovaného stavu proto zůstane zachována původní vzdálenost mezi jádry atomů; tato vzdálenost však nemusí odpovídat optimální(minimální) E molekuly v excitovaném stavu a proto jádra atomů zaujmou nejvýhodnější (rovnovážnou) vzdálenost až dodatečně, po přechodu elektronu.

13

David MILDE, 2006

Frank-Condonův principPotenciálové jámy s vibra-čními podstavy.Hodnota kvantového vibra-čního čísla určuje počet uzlůvibrační vlnové funkce pro daný stav molekuly. Minimum křivky poten-ciální energie odpovídárovnovážné vzdálenosti mezi oběma atomy. Tato vzdálenost může být stejnápro základní a pro exci-tovaný E stav molekuly (a), ale častěji je v excitovaném stavu většínež ve stavu základním (b).

a b